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Conflicts of human land-use and conservation areas : the case of Asian elephants in rubber-dominated landscapes of Southeast Asia
(2017) Harich, Franziska K.; Treydte, Anna C.
Over the last decades, expanding rubber plantations in Southeast Asia have continuously diminished natural habitat, thereby increasing conflicts between human land-uses and nature conservation. The consequences are manifold, with short-term economic benefits for smallholder farmers and long-term costs for species diversity and ecosystem services (ESS). Sustainable wildlife populations are critical for ecosystem functioning but the ongoing habitat degradation and conflicts with people threaten the survival of larger mammal populations. This trend is particularly problematic if the respective species in decline are keystone species such as the Asian elephant (Elephas maximus), which holds important ecological functions in maintaining tree diversity. Continuous land-use transformations increase the importance of conservation efforts for biodiversity within the agricultural matrix. The major aim of this thesis’ work was to analyze the potential of rubber-dominated landscapes in sustaining wild mammal populations while considering the risk of conflicts due to wildlife damage as well as the ecological importance of mammals. As a first step, the literature on wild mammals in rubber and oil palm plantations was analyzed to provide an overview on species diversity found in these systems. Our review showed that species richness was highly reduced in the plantations compared to the forest and that most species in the farms were rather visitors than residents. For a detailed assessment of species richness and presence in rubber plantations, transect and camera trap surveys were conducted in the farm-forest transition zone of the Tai Rom Yen National Park in southern Thailand. Furthermore, farmers were interviewed on the kind and extent of wildlife damage. With 35 recorded wildlife species, the forest was found to hold the highest diversity while more than 70% of these mammals were still found at the forest edge. However, a strong decline of species diversity and presence was observed in the farmland. Crop damage by wildlife affected 40% of all interviewed farmers. In 85% of all rubber damage incidents, young trees were affected, which had not yet been tapped. Elephants were most frequently named as damage causing species. Nevertheless, damage to rubber occurred only in half of the elephant visits, indicating that this crop species was not particularly attractive to wildlife. To account not only for the costs inflicted through elephant damage but also for the ecological benefits elephants provide, the potential of these megaherbivores for seed dispersal was assessed as a crucial ecological function in forest ecosystems. Feeding experiments with elephants were conducted and germination success of ingested and fresh control seeds of a tree species with characteristic mega-faunal syndrome fruits (Dillenia indica L.) was monitored. Seeds ingested by elephants showed a significantly higher and earlier likelihood for germination compared to control seeds. The exemplary tree species in our experiments did not solely depend on but benefited from elephant consumption for germination. This highlights the risks of long-term negative implications for certain tree species and entire ecosystems if elephant and other large mammal populations further decline. Biodiversity is an integral component of ecosystem functioning and the provisioning of services. However, a challenge in the evaluation of ESS is the allowance for the many facets of biodiversity assessments. We therefore developed a methodology for including multiple levels of species diversity into an ESS evaluation model. Diversity data of animal groups and plants derived from our data collections and from literature were normalized using the most diverse habitat as benchmark. Through this approach we obtained a comparable habitat suitability matrix for different land-use systems, which was then applied to different land-use scenarios. The outcomes confirmed that a conservation focused scenario scored higher habitat suitability for all species as well as for threatened ones compared to two other scenarios with no or limited conservation measures. Increasing conflicts between human land-use and nature conservation as a result of shrinking resources pose imminent risks for the diversity and resilience of ecosystems. This thesis provides an assessment of the current state of and conflicts with wildlife diversity in rubber-dominated landscapes surrounding protected areas. The results of this thesis can serve as a basis for the development of measures to consolidate farming and conservation interests. Although intensively managed plantations cannot substitute for natural forests, efforts are required to conserve multiple levels of biodiversity within the farming landscape. High species diversity will maintain ecosystem functions and services sustainably, which both human and wildlife communities rely on for their long-term persistence.
Estimating grass productivity under different clipping frequencies and rainfall amount: implications for rangeland responses to climate change
(2017) Kawo, Samuel Tuffa; Treydte, Anna C.
Die Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Weideland hängt von dem Management vor und nach Degradierungen ab. Eine nachhaltige Nutzung von Weideland impliziert den langfristigen Erhalt der Produktivität. Beweidung und Dürren sind zwei der Haupt-Stressfaktoren, welche die Primärproduktion von Weideland reduzieren und damit sowohl zugehörige Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen als auch die Tierproduktion beeinträchtigen. Semiaride Weideländer mit variierender Tragfähigkeit können zur Weidetierhaltung genutzt werden, indem die Herdengröße bei nachlassender Futterproduktion verringert wird. Eine Schädigung des Weidelandes kann so vermieden werden. Bereits degradierte Flächen können durch das Wiederaussäen geeigneter lokaler Arten wiederhergestellt werden um die Widerstandsfähigkeit des Weidelandes zu verbessern. Angesichts der Folgen des derzeitigen und vorhergesagten Klimawandels ist dies von besonderer Bedeutung um dem rasanten Verschwinden von Arten und Ökosystemdienstleistungen entgegen zu wirken. Dennoch ist unklar wie die derzeit zur Aussaat verwendeten Grasarten auf die kombinierten Effekte von Beweidung und Dürre reagieren und wie sich grasende Rinderherden unter der derzeitigen Dürre und den vorhergesagten zunehmenden Trockenheitsperioden verändern werden. Das Borana Weideland in Äthiopien war einst eine hoch produktive und bedeutende Futterquelle für Weidevieh. In Folge wiederkehrender Dürren, Landnutzungswandel, Überweidung und Verbuschung hat diese Produktivität jedoch stetig abgenommen. Das Wiederaussäen geeigneter lokaler Arten wurde als Managementmaßnahme dringend empfohlen, um das degradierte Weideland und dessen Ökosystemdienstleistungen wieder aufzuwerten. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, da angesichts des Bevölkerungswachstums eine zunehmende Nachfrage nach Fleisch als Proteinquelle erwartet wird und im Hinblick auf den Klimawandel schadensmindernde Maßnahmen ergriffen werden müssen um CO2 aus der Atmosphäre zu filtern. Weidelandrestaurierung durch Aussähen von schmackhaften Grasarten kann sowohl die strukturellen als auch die funktionalen Vegetationseigenschaften verbessern, was zudem zu einer Förderung der Ernährungssicherheit beiträgt. Zu den wichtigsten Ökosystemdienstleistungen von Weideland gehören unter anderem die Bereitstellung von Tierfutter (Biomasse und Nährstoffe) und die Kohlenstoffspeicherung (C) um CO2 aus der Atmosphäre zu filtern. Allerdings mangelt es an Wissen über die Verteilung der Biomasse in den Gräsern, sowie deren Nährstoff- und Kohlenstoffspeicherung unter dem Einfluss von Beweidung und Dürre nach der Aussaat. Hinzu kommt, dass die unterirdische Biomasse- und Kohlenstoffspeicherung von Gräsern bisher kaum untersucht wurde. In dieser Studie quantifizierten wir diese zwei Variablen unter den zwei Haupt-Stressfaktoren für Gräser, Schnitt und Bewässerung (entsprechend eines simulierten Beweidungsund Niederschlagsregimes). Ziel dieser Dissertation war es, die Wissenslücken im Vor- und Nachbehandlungsmanagement von Aussaaten auf Weideflächen zu schließen und Entscheidungsträger darüber zu informieren wie angemessene Strategien für eine nachhaltige Nutzung von Weideland entwickelt werden können. Die Reaktionen auf simulierte Beweidungs- und Niederschlagsintensitäten von zwei dominanten mehrjährigen Grasarten (Cenchrus ciliaris und Chloris gayana), welche oftmals bei den Aussaaten verwendet werden, wurden an jungen Gräsern in Topf- und Feldversuchen untersucht. Zudem analysierten wir, wie sich die Beweidung unter natürlichen Niederschlagsbedingungen auf die Verteilung von Biomasse, Nährwerten und Kohlenstoffspeicherungen in ausgewachsenen Grasbüscheln dieser zwei einheimischen Grasarten auswirkt. Die Ergebnisse zeigten gegensätzliche Reaktionen der Biomasse- und Kohlenstoffspeicherung, abhängig von Alterskategorie und Grasart. Generell löste der Schnitt bzw. die Beweidung eine starke Umverteilung auf die unterirdische Biomasse aus und förderte die Kohlenstoffspeicherung von C. ciliaris Büscheln, während C. gayana Büschel nur geringfügige Abweichungen zeigte. Bei beiden ausgewachsenen Gräsern reduzierte der Schnitt jedoch die überirdische Biomasse und Kohlenstoffspeicherung stark. Im Gegensatz dazu förderte ein moderater und leichter Schnitt bei jungen Gräsern erneutes Wachstum und damit auch die Biomasse- und Kohlenstoffspeicherung sowohl in über- als auch unterirdischen Pflanzenteilen. Derweil zeigte eine reduzierte Bewässerung den gleichen Effekt auf die Biomasseverteilung und Kohlenstoffspeicherung in beiden untersuchten Grasarten. Geringere Bewässerung reduzierte die Biomasse und den Kohlenstoff in unter- und oberirdischen Pflanzenteilen stark. Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse unterstreichen, dass sowohl die Effekte von Beweidung und variablem Niederschlag als auch das Grasalter im Management von Weideflächen berücksichtigt werden sollte. Unsere Experimente sind der erste Nachweis der interaktiven Effekte von Beweidung und Niederschlag auf die Verteilung von Biomasse und auf die Kohlenstoffspeicherung in alten und jungen Gräsern der semiariden Borana Weideflächen in Äthiopien. Das Wissen um diese interagierenden Faktoren gilt als essentiell für Entscheidungsträger, um ausgewogene Managementstrategien für Weideländer zu entwickeln. So kann das Potenzial zur Kohlenstoffspeicherung in degradierten Weideflächen in Zeiten des Klimawandels verbessert und damit auch schadensmindernde Maßnahmen und Anpassungsstrategien durch verbessertes Nachbehandlungsmanagement von degradierten Flächen unterstützt werden. Weiterhin modellierten wir die Dynamik von Rinderpopulationen unter variierenden Tragfähigkeits-Kapazitäten und unter stochastischen Umweltbedingungen. Das Modellieren von Dynamiken der Rinderpopulationen wurde noch nie zuvor für das semiaride Borana Weideland durchgeführt, ist jedoch essenziell um Änderungen von Populationsreaktionen auf den Klimawandel in einer variablen sozialen und ökologischen Umwelt über ein größeres Zeitfenster hinweg registrieren zu können. Wir entwickelten und evaluierten ein neuartiges Boran Rinderpopulationen-Kurvenmodell unter verschiedenen Dürrefrequenz-Vorkommnissen, für welches wir sowohl unterschiedliche Geburten- und Sterberaten innerhalb der Alters- und Geschlechtsklassen als auch variierende Tragfähigkeits-Kapazitäten verwendeten. Die Stochastik wurde berücksichtigt, indem Dürreereignisse zufällig in das Modell eingebunden wurden. Verwendet wurde dafür die Berkeley Madonna Software. Dabei charakterisierten verschiedene langfristige durchschnittliche Dürrefrequenzen die vier individuellen Modellszenarien. Das Ergebnis des Modells deutet darauf hin, dass eine Reduzierung des Niederschlags, zum Beispiel bei zunehmender Dürrefrequenz wie für Borana vorhergesagt, zu einem großen Verlust innerhalb der Rinderpopulationen führt. Die gesamte Populationsgröße reagierte hochsensibel auf den Verkauf sowohl von Jungtieren als auch von erwachsenen weiblichen Rindern, wenn ein Dürreereignis im System stattfand. Das stochastische Populationsmodell mit verschiedenen Tragfähigkeits-Kapazitäten weist angesichts zunehmender Dürreszenarien auf die zukünftigen Herausforderungen für die Lebensgrundlage der auf die Weidewirtschaft angewiesenen Gemeinschaften hin. Rinderherden müssen rechtzeitig verkleinert werden und die Grasproduktivität angesichts des Klimawandels auf nachhaltige Weise gefördert werden. Aus diesem Grund konzentrierte sich diese Dissertation auf Vorschläge zum Vor- und Nachbehandlungsmanagement von degradierten Weideflächen durch Modellierung von Rinderpopulationen und der Durchführung von Grasexperimenten. Das Management sollte sich darauf konzentrieren, dem Kollaps von Rinderherden vorzubeugen, indem der Verkauf von ausgewachsenen Stieren gesteigert wird. Dadurch werden Futterressourcen für die weiblichen Tiere während Dürrejahren in den Borana Weideländern frei. Gleichzeitig muss die Widerstandsfähigkeit der Weideflächen verbessert werden, indem gesunde Bedingungen beibehalten und degradierte Gebiete restauriert werden. Weiterhin müssen Frühwarnsysteme für Dürren und Marktinformationen gefördert werden, damit im Voraus geplante Verkäufe der Tierressourcen auf faire und nachhaltige Weise realisiert werden können. Dieser Ansatz würde zudem den Viehhaltern Vorteile durch den Verkauf der Tiere bringen, da ein großer Verlust von Rindern in Folge von Dürren vermieden werden könnte.
The influence of land use and cover changes on the pastoral rangeland systems of southern Ethiopia : how much woody cover is enough?
(2014) Mohammed, Hasen Yusuf; Treydte, Anna C.
The Borana rangelands in southern Ethiopia are facing deterioration caused by intensification of grazing and woody plant encroachment, resulting in marked reductions in pastoral production. This process affects the food security and livelihoods of the Borana pastoral people negatively. Woody plant encroachment might result in an increase in carbon (C) storage in these rangelands, which represents an important aspect for climate change mitigation potentials. However, it is unclear how much C is currently stored in the above-and belowground vegetation biomass and in the soils of these rangeland ecosystems and how grazing intensity and woody cover influence soil or ecosystem C-stocks. The research work presented in this thesis aimed at developing tools to estimate the aboveground woody biomass C stocks. It describes the structure of semiarid savanna vegetation in different grazing regimes at various levels of woody encroachment, examines changes in woody plant encroachment, and provides field-based quantification methods and tools to derive site-based estimates of above- and belowground C pools. The thesis also aimed at assessing the influence of grazing on herbaceous above- and belowground biomass C stocks, soil organic carbon (SOC) and total soil nitrogen (TSN) to estimate possible increases in ecosystem C stocks by long term reduction of grazing intensity (e.g., low livestock density and seasonal grazing) at various levels of woody plant encroachment. A long-term temporal satellite imagery over the last 37 years and GIS mapping aided by ground truthing was used to investigate vegetation cover changes. In the field, data was collected to analyze vegetation attributes such as composition and structure under different grazing regimes and woody encroachment sites. Herbaceous species were destructively harvested to quantify the biomass and C stocks in the herbaceous vegetation community. Allometric tree biomass models were developed by destructively harvesting eight woody species to indirectly quantify the woody biomass and C stocks. Total soil nitrogen and SOC stocks in the different grazing management systems and woody encroachment levels were assessed from soil cores collected within 0- 40 cm soil depth. The performance of allometric biomass models as expressed as a goodness of fit (adj r2) depended on the species and biomass components estimated. The allometric models were highly accurate for large woody species such as A. mellifera, A. bussei, and A. etabaica. The most important single models predictor variable identified was stem basal circumference for tall shrubs with more or less open canopy structure. Meanwhile, for tall shrubs with closed and umbrella-like canopy structures, pairs of canopy volume and stem basal circumferences were more reliable predictors. It was further shown that, by using canopy volume as a standalone predictor variable, biomass can still be accurately predicted for shrubs whose growth form comprise discrete canopy clumps with multiple stems (e.g., A. oerfota). Vegetation cover analysis using temporal Landsat imageries from 1976 to 2012 revealed that areas covered by shrub and tree savanna (open savanna types) in the 1970s declined from 45% to 9%, while heavily encroached areas (bushland thickets and bushed savanna) increased from 22% to 61% during this time interval. The abundance of total and the regenerative woody plants (< 1 m height) were high in lower woody encroachment sites but significantly reduced at heavily woody encroachment sites. At all levels of woody encroachment enclosures significantly increased total woody plant density, especially the proportion of woody plants in < 1 m height size class compared to the open rangelands. Estimated total aboveground biomass C stocks varied significantly between woody encroachments levels, with total aboveground biomass C stocks ranging from 2 Mg ha-1 in the low encroachment site to 9 Mg ha-1 in heavy encroachment sites. Enclosures significantly raised the herbaceous biomass C stocks, with enclosures containing 50% more herbaceous aboveground biomass C stocks than openly grazed land. However, the response of herbaceous aboveground biomass C stocks to grazing was also strongly influenced by the woody encroachment characteristics including woody density, canopy cover, species composition and other specific traits of woody species. Mean total SOC stock in the 0 - 40 cm soil depth ranged from 30 Mg ha-1 in the openly grazed soils at the high woody encroachment site to 81 Mg ha-1 in the enclosure soils at the low encroachment site ha-1. Soil OC and TSN did not differ in the enclosure at heavily encroached sites but were two times as high in enclosures compared to openly grazed soils at low encroached sites. Soil OC was positively related to TSN and soil cation exchange capacity (CEC), but negatively to sand content. Contrary to expectations, SOC stocks did not uniformly follow the pattern of increasing aboveground biomass C stocks with increasing woody encroachment. Rather, it seemed to be influenced by variations in soil characteristics across the Borana rangelands. The study highlights the influence of woody encroachment and reduction of grazing pressure on ecosystem C stocks. The allometric models developed by this study can serve as a tool for future biomass and C sequestration studies in semiarid regions of east Africa. The information presented on the ecosystem C stocks by this thesis could help integrate the effects of grazing and vegetation cover dynamics on the rangeland C storage. An understanding of these interactions are deemed necessary to develop a sound rangeland management policy that can link the C storage potential of the rangelands to global climate change mitigation and adaptation strategies through establishing a viable mechanism of payment for ecosystem services.